JP6292734B2 - 電力変換回路の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換回路の冷却装置に関する。

ハイブリッド車や電気自動車などの車両には、電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、車両が有するバッテリーから供給される直流電力を、駆動用モータを駆動させるための三相交流電力に変換するものである。電力変換装置は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールを複数備えており、電力変換回路を構成している。この半導体モジュールは、電流が流通した際に発熱するため、電力変換回路を冷却する冷却装置が必要となる。
電力変換回路を冷却する冷却装置としては、例えば、特許文献１に示されたものがある。特許文献１の冷却装置は、駆動用モータのトルクを検出する負荷検出手段と、冷却水を循環する冷却水循環路と、冷却水循環路に冷却水を供給する冷却ポンプとを備えている。特許文献１の冷却装置は、負荷検出手段によって検出されたトルクに応じて、冷却ポンプから冷却水循環路へ供給される冷却水の量を変更するよう構成されている。

特開２００９−２６１１９７号公報

しかしながら、特許文献１に示された冷却装置には、以下の課題がある。
特許文献１の冷却装置においては、高トルクを検出した後、冷却ポンプを駆動させ冷却水を供給している。しかし、高トルクが検出された際には、既に半導体素子が発熱しているため、電力変換回路の温度上昇に対して、冷却水の供給が遅延してしまう。そのため、冷却装置における冷却性能が不足する。

また、駆動モータの回転数が低い状態で検知されるトルクが低い状態においては、十分な冷却性能が発揮されない場合がある。つまり、車両が極低速で走行している場合等、駆動モータの回転数が低い状態においては、１つの半導体モジュールに電流が連続して流通する時間が増大するため、半導体モジュールの温度が上昇しやすい。その一方で、検出されるトルクは小さくなる。そのため、冷却水の供給量が不足し、十分な冷却性能が得られない。

このように、冷却装置における冷却性能が不足した際に、半導体素子の不具合を抑制するためには、半導体モジュールを大型化し、熱容量を増大させる必要がある。このとき、半導体モジュールの大型化に伴ってコストの増大が生じる。
また、冷却水の供給量を増大させることにより、半導体モジュールの大型化を抑制することができるが、冷却ポンプを駆動させることで電力の消費が増大し、車両における燃費が悪化する。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、冷媒の供給量を適正化し、電力変換回路を効果的に冷却することができる冷却装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、車両における直流電源から供給される直流電力を、交流回転電機を駆動させるための交流電力に変換する電力変換回路の冷却装置であって、
上記電力変換回路と熱交換を行う熱交換部と、
該熱交換部の内部に形成された冷媒流路に冷媒を供給する冷却ポンプと、
上記交流回転電機の回転数を検出する回転数検出手段と、
上記冷却ポンプの運転を制御する制御回路とを備えており、
該制御回路は、上記交流回転電機のトルクを制御に用いず、該トルクと上記回転数とのうち該回転数のみを用いて、上記冷却ポンプの運転を制御し、上記冷媒流路への上記冷媒の供給量を変化させ、
上記制御回路は、上記回転数が相対的に高い高回転域よりも、上記回転数が低い低回転域の方が、上記冷媒の供給量が多くなるように、上記冷却ポンプの制御を行うよう構成されており、
上記制御回路は、上記低回転域のうち、上記回転数が予め定められた第１閾値よりも低い第１低回転域では、上記冷媒の供給量を一定値である第１供給量にし、上記回転数が上記第１閾値よりも高く、かつ予め定められた第２閾値よりも低い第２低回転域では、上記冷媒の供給量を、上記第１供給量よりも少ない一定値である第２供給量にし、上記回転数が上記第２閾値よりも高くなるに従って、上記冷媒の供給量を、上記第２供給量よりも次第に少なくするよう構成されていることを特徴とする電力変換回路の冷却装置にある。

上記電力変換回路の冷却装置は、上記交流回転電機の回転数を検出する回転数検出手段を備えており、該回転数検出手段によって検出された回転数に応じて、上記冷媒流路への冷媒の供給量を変化させることができる。
つまり、上記電力変換回路においては、上記交流回転電機の回転数が低速であると発熱量が増大し、上記交流回転電機の回転数が高速になるにつれて発熱量が減少する。このように、上記交流回転電機の回転数の変化が、上記電力変換回路の発熱状態に影響することを考慮し、該電力変換回路を冷却するために必要な冷媒の供給量を判断することができる。そして、制御回路によって、上記冷却ポンプの運転を制御し上記冷媒流路へ適正な量の冷媒を供給することができる。これにより、上記冷却装置によって、上記電力変換回路を効果的に冷却することができ、半導体モジュールの小型化及びコスト低減が可能となる。また、上記冷媒流路に必要以上の冷媒を供給する必要がなくなるため、上記冷却ポンプの駆動による電力消費量を低減し、車両における燃費を向上することができる。

また、上記交流回転電機の回転数を基に冷媒の供給量を制御するため、上記交流回転電機が回転を停止した状態、すなわち回転数が０の状態においても、上記冷媒流路へ冷媒を供給することができる。これにより、上記電力変換回路の発熱に対して、遅れることなく、適正な量の冷媒を供給し、十分な冷却性能を得ることができる。

以上のごとく、上記冷却装置によれば、冷媒の供給量を適正化し、電力変換回路を効果的に冷却することができる。

実施例１における、ハイブリッド自動車の構成を示す説明図。 実施例１における、電力変換回路を示す説明図。 実施例１における、関係データを示すグラフ。 実施例２における、ハイブリッド自動車の構成を示す説明図。 実施例２における、関係データを示すグラフ。 実施例３における、関係データを示すグラフ。

上記電力変換回路の冷却装置において、上記制御回路は、上記交流回転電機の回転数と、該回転数に応じた冷媒の必要供給量との関係を予め定めた関係データを有しており、該関係データを用いて、上記回転数検出手段によって検出された回転数から冷媒の必要供給量を導き、該必要供給量に応じて上記冷却ポンプの運転を制御することが好ましい。この場合には、関係データを利用することで、上記制御回路によって上記冷却ポンプの制御を容易に行うことができる。

また、上記制御回路は、冷媒の温度を検出する温度検出手段を備えており、該温度検出手段によって検出された冷媒の温度に応じて上記冷却ポンプの運転を制御し上記冷媒流路への冷媒の供給量を変化させることが好ましい。この場合には、上記交流回転電機の回転数に加え、冷媒の温度を監視することにより、上記冷媒流路への冷媒の供給量をより最適なものとすることができる。例えば、上記半導体モジュールにおける許容温度に対して、冷媒の温度が十分に低い場合には、冷媒の供給量を低減させる。また、上記許容温度と冷媒の温度との差が小さい場合には、冷媒の供給量を増大させる。これにより、上記冷却装置が十分な冷却性能を発揮することができる。

（実施例１）
上記電力変換回路の冷却装置にかかる実施例について、図１〜図３を参照して説明する。
図１に示すごとく、冷却装置１は、車両における直流電源６から供給される直流電力を、交流回転電機３を駆動させるための交流電力に変換する電力変換回路２を冷却するものである。冷却装置１は、電力変換回路２と熱交換を行う熱交換部１１と、熱交換部１１の内部に形成された冷媒流路に冷媒を供給する冷却ポンプ１２と、交流回転電機３の回転数を検出する回転数検出手段１５と、冷却ポンプ１２の運転を制御する制御回路１３とを備えている。制御回路１３は、回転数検出手段１５によって検出された回転数に応じて、冷却ポンプ１２の運転を制御し冷媒流路への冷媒の供給量を変化させる。

以下、さらに詳細に説明する。
本例に示す電力変換回路２は、図１に示すごとく、ハイブリッド自動車に用いられるものである。
ハイブリッド自動車は、動力分割機構４を介して連結された交流回転電機３及び内燃機関５と、直流電源６としてのバッテリーと、直流電力を交流電力に変換する電力変換回路２と、電力変換回路２を冷却する冷却装置１とを備えている。

交流回転電機３は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相を備えた三相交流回転電機からなり、電力変換回路２を介して直流電源６と電気的に接続されている。交流回転電機３は、電力変換回路２によって変換された三相交流電力が供給されることで駆動輪７を回転させる駆動源として機能する。また、車両の減速時には、駆動輪７から伝達された回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機として機能する。交流回転電機３が発電した電力は、電力変換回路２によって直流電力に変換された後、直流電源６に充電される。

図２に示すごとく、電力変換回路２は、スイッチング素子２１１〜２１６及びダイオード２２１〜２２６を内蔵した半導体モジュール２１と、電流を平滑化する平滑コンデンサ２３とを備えている。
交流回転電機３のＵ相に接続されたスイッチング素子２１１、２１２、Ｖ相に接続されたスイッチング素子２１３、２１４、及びＷ相に接続されたスイッチング素子２１５、２１６のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオード２２１〜２２６がそれぞれ接続されている。

図１に示すごとく、電力変換回路２を冷却する冷却装置１は、冷媒が循環する冷媒循環路１７と、冷媒を冷却するためのラジエータ１８と、電力変換回路２と熱交換を行う熱交換部１１と、冷媒を供給する冷却ポンプ１２と、冷却ポンプ１２の運転を制御する制御回路１３とを備えている。
冷媒循環路１７は、その内部に冷媒を流通可能に構成されており、ラジエータ１８、熱交換部１１及び冷却ポンプ１２を繋ぐように接続されている。尚、本例の冷却装置１は、交流回転電機３の冷却を兼ねるものであり、冷媒循環路１７は、交流回転電機３にも接続されている。

ラジエータ１８は、その内部を流通する冷媒と外気との間において熱交換を行うことで、冷媒を冷却することができる。
熱交換部１１は、その内部に冷媒を流通する冷媒流路を備えており、冷媒と半導体モジュール２１との間において熱交換を行うことで、半導体モジュール２１を冷却することができる。

図１に示すごとく、制御回路１３は、マイクロコンピュータを主体とし、冷却ポンプ１２の運転を制御可能に構成されたＥＣＵ（電子制御装置）からなり、交流回転電機３の回転数を検出する回転数検出手段１５と接続されている。回転数検出手段１５としては、磁気等を利用した各種センサー等を用いることができる。また、制御回路１３は、交流回転電機３の回転数と、回転数に応じた冷媒の必要供給量との関係を予め定めた関係データを有しており、この関係データに基づいて冷却ポンプ１２の運転を制御する。制御回路１３は、回転数検出手段１５によって検出された回転数から冷媒の必要供給量を導き、冷却ポンプ１２の運転を制御することで、冷媒流路に冷媒を必要供給量、供給する。

図３は、横軸を交流回転電機３の回転数とし、縦軸を冷媒の必要供給量としたグラフであり、実線Ｌ１は関係データを示すものである。本例の関係データは、交流回転電機３が回転を停止した状態から回転数Ｎ１に到達するまでの回転数域における、冷媒の必要供給量をＳ１とした。また、回転数Ｎ１から最大回転数Ｎｍａｘまでの回転数域における、冷媒の必要供給量は、回転数が増大するにつれて減少させている。尚、最大回転数Ｎｍａｘにおける、冷媒の必要供給量はＳ２とし、これを必要供給量の下限値としている。

関係データは、事前に交流回転電機３の回転数と、電力変換回路２における半導体モジュール２１の発熱量とを確認する試験を行い、半導体モジュール２１の発熱量に対して必要となる冷媒の必要供給量を定めた。また、関係データとしては、変換テーブルやマップデータを用いることができる。

また、交流回転電機３の回転が停止した状態において、冷媒流路へ冷媒の供給を開始するタイミングは、電力変換回路２に交流電力が供給される前としてある。この場合には、予め冷却ポンプ１２によって冷媒流路に冷媒を供給することで、電力変換回路２の発熱に遅れることなく、電力変換回路２を冷却することができる。尚、冷媒流路へ冷媒の供給を開始するタイミングとしては、イグニッションＯＮ、ブレーキペダルのリリース、駐車ブレーキの解除時、シフトチェンジ、アクセルペダルの踏み込み等の種々のタイミングで行うことができる。

次に、本例の作用効果について説明する。
電力変換回路２の冷却装置１は、交流回転電機３の回転数を検出する回転数検出手段１５を備えており、回転数検出手段１５によって検出された回転数に応じて、冷媒流路への冷媒の供給量を変化させることができる。つまり、電力変換回路２においては、交流回転電機３の回転数が低速であると発熱量が増大し、交流回転電機３の回転数が高速になるにつれて発熱量が減少する。このように、交流回転電機３の回転数の変化により、電力変換回路２の発熱状態に影響することを考慮し、電力変換回路２を冷却するために必要な冷媒の供給量を判断することができる。そして、制御回路１３によって、冷却ポンプ１２の運転を制御し冷媒流路へ適正な量の冷媒を供給することができる。これにより、冷却装置１によって、電力変換回路２を効果的に冷却することができ、半導体モジュール２１の小型化及びコスト低減が可能となる。また、冷媒流路に必要以上の冷媒を供給する必要がなくなるため、冷却ポンプ１２の駆動による電力消費量を低減し、車両における燃費を向上することができる。

また、交流回転電機３の回転数を基に冷媒の供給量を制御するため、交流回転電機３が回転を停止した状態、すなわち回転数が０の状態においても、冷媒流路へ冷媒を供給することができる。これにより、電力変換回路２の発熱に対して、遅れることなく、適正な量の冷媒を供給し、十分な冷却性能を得ることができる。

また、制御回路１３は、交流回転電機３の回転数と、回転数に応じた冷媒の必要供給量との関係を予め定めた関係データを有しており、関係データを用いて、回転数検出手段１５によって検出された回転数から冷媒の必要供給量を導き、必要供給量に応じて冷却ポンプ１２の運転を制御することが好ましい。この場合には、関係データを利用することで、制御回路１３によって冷却ポンプ１２の制御を容易に行うことができる。

以上のごとく、本例の冷却装置１によれば、冷媒の供給量を適正化し、電力変換回路２を効果的に冷却することができる。

（実施例２）
本例は、実施例１における冷却装置１の構成を一部変更した例である。
図４に示すごとく、本例の冷却装置１は、冷媒の温度を検出する温度検出手段１６を備えている。温度検出手段１６は、熱交換部１１の冷媒流路内に配置された温度センサーからなる。温度検出手段１６によって検出された冷媒の温度情報は、制御回路１３へと送信される。

図５は、横軸を交流回転電機３の回転数とし、縦軸を冷媒の必要供給量としたグラフであり、実線Ｌ２及び実線Ｌ３は冷媒の温度に応じた関係データを示すものである。制御回路１３は、温度検出手段１６によって検出された冷媒の温度に応じて、冷却ポンプ１２の運転を制御し冷媒流路への冷媒の供給量を変化させる。

実線Ｌ２は、冷媒の温度が半導体モジュール２１の耐熱温度に対して十分に低い場合の関係データを示すものであり、実施例１における実線Ｌ１（図３）に対して、冷媒の必要供給量をａだけ減少させている。この場合には、冷媒の温度が低いため、冷媒の必要供給量を減少させても、電力変換回路２を冷却するのに十分な冷却性能を得ることができる。尚、冷媒の必要供給量の下限値は、実施例１と同様にＳ２とした。

実線Ｌ３は、冷媒の温度が半導体モジュール２１の耐熱温度に近い場合の関係データを示すものであり、実施例１における実線Ｌ１（図３）に対して、冷媒の供給量を増大させている。この場合には、冷媒における体積あたりの熱交換可能な熱量が低下するため、冷媒の供給量を増大させ多くの冷媒によって熱交換を行う。尚、実線Ｌ３は、実線Ｌ１と同形状である。
尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の冷却装置１によれば、交流回転電機３の回転数に加え、冷媒の温度を監視することにより、冷媒流路への冷媒の供給量をより最適なものとすることができる。
また、本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例３）
本例は、実施例１における冷却装置１の構成を一部変更した例である。
図６は、横軸を交流回転電機３の回転数とし、縦軸を冷媒の必要供給量としたグラフであり、実線Ｌ４は、本例の関係データを示すものである。実線Ｌ４に示す関係データは、回転数Ｎｓ以下の回転数域を極低回転域１４１としてある。また、この極低回転域１４１における必要供給量は、実線Ｌ１（図３）における冷媒の必要供給量Ｓ１に対して、ｃだけ増大したＳ４としている。
尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の冷却装置１によれば、特に電力変換回路２が高温となりやすい極低回転域１４１における冷却性能をより向上することができる。
また、本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

１ 冷却装置
１１ 熱交換部
１２ 冷却ポンプ
１３ 制御回路
１５ 回転数検出手段
２ 電力変換回路
３ 交流回転電機
６ 直流電源

Claims (3)

1. 車両における直流電源（６）から供給される直流電力を、交流回転電機（３）を駆動させるための交流電力に変換する電力変換回路（２）の冷却装置（１）であって、
   上記電力変換回路（２）と熱交換を行う熱交換部（１１）と、
   該熱交換部（１１）の内部に形成された冷媒流路に冷媒を供給する冷却ポンプ（１２）と、
   上記交流回転電機（３）の回転数を検出する回転数検出手段（１５）と、
   上記冷却ポンプ（１２）の運転を制御する制御回路（１３）とを備えており、
   該制御回路（１３）は、上記交流回転電機（３）のトルクを制御に用いず、該トルクと上記回転数とのうち該回転数のみを用いて、上記冷却ポンプ（１２）の運転を制御し、上記冷媒流路への上記冷媒の供給量を変化させ、
   上記制御回路（１３）は、上記回転数が相対的に高い高回転域よりも、上記回転数が低い低回転域の方が、上記冷媒の供給量が多くなるように、上記冷却ポンプ（１２）の制御を行うよう構成されており、
   上記制御回路（１３）は、上記低回転域のうち、上記回転数が予め定められた第１閾値（Ｎｓ）よりも低い第１低回転域（１４１）では、上記冷媒の供給量を一定値である第１供給量（Ｓ４）にし、上記回転数が上記第１閾値（Ｎｓ）よりも高く、かつ予め定められた第２閾値（Ｎ１）よりも低い第２低回転域では、上記冷媒の供給量を、上記第１供給量（Ｓ４）よりも少ない一定値である第２供給量（Ｓ１）にし、上記回転数が上記第２閾値（Ｎ１）よりも高くなるに従って、上記冷媒の供給量を、上記第２供給量（Ｓ１）よりも次第に少なくするよう構成されていることを特徴とする電力変換回路（２）の冷却装置（１）。
2. 上記制御回路（１３）は、上記交流回転電機（３）の上記回転数と、該回転数に応じた上記冷媒の必要供給量との関係を予め定めた関係データを有しており、該関係データを用いて、上記回転数検出手段（１５）によって検出された上記回転数から上記冷媒の必要供給量を導き、該必要供給量に応じて上記冷却ポンプ（１２）の運転を制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路（２）の冷却装置（１）。
3. 上記制御回路（１３）は、上記冷媒の温度を検出する温度検出手段（１６）を備えており、該温度検出手段（１６）によって検出された上記冷媒の温度に応じて上記冷却ポンプ（１２）の運転を制御し上記冷媒流路への上記冷媒の供給量を変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換回路（２）の冷却装置（１）。

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